CN108733904B - 一种轨道交通小比例试验模拟加载方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轨道交通小比例试验模拟加载方法。根据设计比例、动力相似设计方法、轴重并给予初始压力来确定受力荷载时程简化表达式；然后将作动器布置在铁路轨道结构中心位置处上方，单个加载或两个对称以路基纵断面为中心放置，从而实现真实模拟小比例模型中的列车动荷载，解决列车运行引起的轨道和路基变形等问题。

Description

一种轨道交通小比例试验模拟加载方法
技术领域
本发明属于轨道交通技术领域，尤其涉及一种轨道交通小比例试验模拟加载方法。
背景技术
我国高铁和地铁规模巨大、建设发展快但历史短，列车运行引起的轨道和路基变形等问题正在引起人们的关注。目前这类问题的研究主要进行小比例模型试验，而试验的第一步就需要确定列车动荷载形式。以往的小比例试验研究中，一般对列车动荷载等效为静力荷载形式。已有研究表明，当列车速度增大时，某瞬间列车传递至钢轨处的动荷载也会增大，即认为动荷载是与时间相关的函数，因此不能简单将列车荷载以静力形式考虑，而应该把小比例试验荷载加载作为动力问题进行研究，即列车动荷载应按照动力相似进行设计。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种轨道交通小比例试验模拟加载方法，克服现有技术中只有针对足尺模型进行模拟荷载加载的方法，以真实模拟小比例模型中的列车动荷载，改善列车运行引起的轨道和路基变形等问题。
本发明建立了小比例模型的输入荷载与原型输入荷载的对应关系，使小比例模型的输入荷载下有了明确依据，从而使得动力响应结果有足够的可信度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
动力相似设计方法即通过量纲方程，根据选择的参量建立起供相似分析用的物理量。弹模相似常数SE和长度相似常数Sl为根据模型试验条件进行自主定义的已知参数，弹模相似常数SE量纲为N/m2，长度相似常数Sl量纲为m，荷载缩尺系数SF量纲为N，则SF＝SE*Sl 2，从而得到了原型输入荷载和模型输入荷载的相似比例SF。
设计流程如下：首先定义作动器输入荷载函数F的计算公式；然后根据试验目的和施工条件，确定弹模相似常数SE、长度相似常数Sl等相似常数(即与原型的比例关系)，通过量纲分析求出荷载缩尺系数SF＝SE*Sl 2；再给予作动器初始预压力B，作为作动器初始加压，限定B数值小于SE*Sl 2*Q，得到最终输入荷载函数公式。
一种轨道交通小比例试验模拟加载方法，包括以下过程：
(1)定义作动器输入荷载函数公式：
F＝SF*Q*sin2πf，
其中，F为输入荷载，SF为荷载缩尺系数，Q为一列动车分配荷载，f为输入频率；
(2)根据设计比例及动力相似设计方法确定荷载缩尺系数：
SF＝SE*Sl 2，
其中，SF为荷载缩尺系数，SE为弹性模量相似常数，Sl为长度相似常数；
(3)将SF代入荷载函数公式F＝SF*Q*sin2πf，得到荷载时程简化表达式：
F＝SE*Sl 2*Q*sin2πf；
(4)给予作动器初始预压力B，作为作动器初始加压，限定B数值小于SE*Sl 2*Q，调整荷载表达式，得到最终输入荷载函数公式：
F＝SE*Sl 2*Q*sin2πf+B；
(5)作动器通过输入荷载函数进行动态激振，即实现不同车型(不同Q)、不同速度(即频率f)下列车动荷载的模拟加载。
为实现上述技术方案，本发明还提供一种轨道交通小比例试验模拟加载装置，包括路基结构、无砟轨道结构，作动器，支撑结构，钢轨，模型箱，连接板。
将作动器在铁路无砟轨道结构的中心位置处上方布置，可设置一个或两个作动器，分别对应单侧加载或对称加载；钢轨设置有连续的四条，以路基纵断面为中心，两两对称铺设在无砟轨道结构上；作动器和钢轨间通过连接板连接并传递荷载，作动器上有支撑结构支撑，支撑结构与模型箱焊接成为一体。
该轨道交通小比例试验模拟加载装置的工作原理或工作方式为：
首先搭建加载装置：模型箱内自下而上为路基结构、无砟轨道结构以及通过扣板与轨道连接的四条连续钢轨；钢轨中心上方为连接板；连接板上方为作动器底部球铰，二者连接方式为焊接或螺栓铆钉连接；作动器顶部与支撑结构上部通过螺栓连接固定；支撑结构底部与模型箱焊接从而成为一体。然后通过前述环节(1)-(5)计算得到输入荷载函数公式，其中Q、SE、Sl、B、f为自定义已知参数，SF、F为未知参数，通过前述环节(1)-(5)计算求得。Q为一列已知原型动车的分配荷载；SE、Sl为通过设计模型的试验目的和施工条件地确定的已知参数；B为自定义初始预压力，数值小于SE*Sl 2*Q；f为模型自定义加载频率。
将荷载函数F输入作动器的控制系统，最后作动器通过输入的控制系统指令输出模拟的列车荷载。
发明装置与方法之间的关系为：装置为方法的实现预定功能提供支撑，装置与公式中的参数并无关系。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果的是：
(1)可以更好反映小比例模型试验中列车真实荷载；
(2)荷载形式和加载方式明确，为解决列车运行引起的轨道和路基变形等问题提供可靠便利的输入系统。
附图说明
图1是本发明所述轨道交通小比例试验加载装置的示意图；
图中标号：1为支撑结构、2为作动器、3为无砟轨道结构、4为模型箱、5为连接板，6为钢轨。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。
实施例1：
一种轨道交通小比例试验模型加载方法，包括如下过程：
(1)首先定义作动器输入荷载函数公式：
F＝SF*Q*sin2πf，
其中，F为输入荷载，SF为荷载缩尺系数，Q为一列动车分配荷载，f为输入频率；
(2)根据设计比例及动力相似设计方法确定荷载缩尺系数：
SF＝SE*Sl 2，
其中，SF为荷载缩尺系数，SE为弹性模量相似常数，Sl为长度相似常数；
(3)将SF代入荷载函数公式F＝SF*Q*sin2πf，得到荷载时程简化表达式：
F＝SE*Sl 2*Q*sin2πf；
(4)给予作动器初始预压力B，作为作动器初始加压，限定B数值小于SE*Sl 2*Q，调整荷载表达式，得到最终输入荷载函数公式：
F＝SE*Sl 2*Q*sin2πf+B；
(5)作动器通过输入荷载函数进行动态激振，即实现不同车型(不同Q)、不同速度(即频率f)下列车动荷载的模拟加载。
实施例2：
图1是本发明所述轨道交通小比例试验加载装置的示意图。本实施例采用无砟轨道结构。
如图1所示，该轨道交通小比例试验模拟加载装置，包括路基结构、无砟轨道结构3、作动器2，支撑结构1，钢轨6，模型箱4，连接板5。
首先搭建加载装置：模型箱内自下而上为路基结构、无砟轨道结构3以及通过扣板与轨道连接的四条连续钢轨6；钢轨6中心上方为连接板5；连接板5上方为作动器2底部球铰，二者连接方式为焊接或螺栓铆钉连接；作动器2顶部与支撑结构1上部通过螺栓连接固定；支撑结构1底部与模型箱4焊接从而成为一体。
详细过程如下：将作动器2在铁路无砟轨道结构3的中心位置处上方布置，可设置一个或两个作动器2，分别对应单侧加载或对称加载；钢轨6设置有连续的四条，以路基纵断面为中心，两两对称铺设在无砟轨道结构3上；作动器2和钢轨6间通过连接板5传递荷载，作动器2上有支撑结构1支撑，且支撑结构1与模型箱4焊接成为一体。
然后通过前述环节(1)-(5)计算得到输入荷载函数公式，输入作动器的控制系统。最后作动器通过输入的控制系统指令输出模拟的列车荷载。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (4)

1.一种轨道交通小比例试验模拟加载方法，其特征在于包括以下环节：
环节1)定义作动器输入荷载函数公式：
F＝SF*Q*sin2πf，
其中F为输入荷载，SF为荷载缩尺系数，Q为一列动车分配荷载，f为输入频率；
环节2)根据设计比例及动力相似设计方法确定荷载缩尺系数：
SF＝SE*Sl 2，
其中SF为荷载缩尺系数，SE为弹性模量相似常数，Sl为长度相似常数；
环节3)将Q和SF均代入荷载函数公式F＝SF*Q*sin2πf，得到荷载时程简化表达式：
F＝SE*Sl 2*Q*sin2πf；
环节4)给予作动器初始预压力B，作为作动器初始加压，限定B数值小于SE*Sl 2*Q，调整荷载表达式，得到最终输入荷载函数公式：
F＝SE*Sl 2*Q*sin2πf+B；
环节5)作动器通过输入荷载函数进行动态激振，即实现不同车型、不同速度下列车动荷载的模拟加载。
2.根据权利要求1所述的轨道交通小比例试验模拟加载方法，其特征在于：该列车动荷载模拟加载函数采用动力相似设计方法设计得出。
3.根据权利要求1所述的轨道交通小比例试验模拟加载方法，其特征在于：环节1)所述的输入荷载函数公式为正弦波型曲线。
4.根据权利要求1所述的轨道交通小比例试验模拟加载方法，其特征在于：所述轨道交通小比例试验模拟加载方法的实现装置包括路基结构、无砟轨道结构，作动器，支撑结构，钢轨，模型箱，连接板；
模型箱内自下而上为路基结构、无砟轨道结构以及通过扣板与轨道连接的四条连续钢轨；钢轨中心上方为连接板；连接板上方为作动器底部球铰，二者连接方式为焊接或螺栓铆钉连接；作动器顶部与支撑结构上部通过螺栓连接固定；支撑结构底部与模型箱焊接从而成为一体；
通过环节(1)-(5)计算得到输入荷载函数公式，输入作动器的控制系统；作动器通过输入的控制系统指令输出模拟的列车荷载。
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